《特種加工技術(shù)》課件-第二章

第二章電火花加工的基本

原理及設(shè)備

2.1電火花加工的物理本質(zhì)及特點(diǎn)2.2電火花加工機(jī)床簡介2.3電火花線切割加工機(jī)床簡介習(xí)題

2.1電火花加工的物理本質(zhì)及特點(diǎn)

2.1.1電火花加工的物理本質(zhì)

電火花加工基于電火花腐蝕原理，是在工具電極與工件電極相互靠近時(shí)，極間形成脈沖性火花放電，在電火花通道中產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，使金屬局部熔化，甚至氣化，從而將金屬蝕除下來。那么兩電極表面的金屬材料是如何被蝕除下來的呢？這一過程大致分為以下幾個(gè)階段(如圖2-1所示)：圖2-1電火花加工原理

(1)極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道(如圖2-1(a)所示)。工具電極與工件電極緩緩靠近，極間的電場強(qiáng)度增大，由于兩電極的微觀表面是凹凸不平的，因此在兩極間距離最近的A、B處電場強(qiáng)度最大。

工具電極與工件電極之間充滿著液體介質(zhì)，液體介質(zhì)中不可避免地含有雜質(zhì)及自由電子，它們?cè)趶?qiáng)大的電場作用下，形成了帶負(fù)電的粒子和帶正電的粒子，電場強(qiáng)度越大，帶電粒子就越多，最終導(dǎo)致液體介質(zhì)電離、擊穿，形成放電通道。放電通道是由大量高速運(yùn)動(dòng)的帶正電和帶負(fù)電的粒子以及中性粒子組成的。由于通道截面很小，通道內(nèi)因高溫?zé)崤蛎浶纬傻膲毫Ω哌_(dá)幾萬帕，高溫高壓的放電通道急速擴(kuò)展，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的沖擊波向四周傳播。在放電的同時(shí)還伴隨著光效應(yīng)和聲效應(yīng)，這就形成了肉眼所能看到的電火花。

(2)電極材料的熔化、氣化熱膨脹(如圖2-1(b)、(c)所示)。液體介質(zhì)被電離、擊穿，形成放電通道后，通道間帶負(fù)電的粒子奔向正極，帶正電的粒子奔向負(fù)極，粒子間相互撞擊，產(chǎn)生大量的熱能，使通道瞬間達(dá)到很高的溫度。通道高溫首先使工作液汽化，進(jìn)而氣化，然后高溫向四周擴(kuò)散，使兩電極表面的金屬材料開始熔化直至沸騰氣化。氣化后的工作液和金屬蒸氣瞬間體積猛增，形成了爆炸的特性。所以在觀察電火花加工時(shí)，可以看到工件與工具電極間有冒煙現(xiàn)象，并聽到輕微的爆炸聲。

(3)電極材料的拋出(如圖2-1(d)所示)。正負(fù)電極間產(chǎn)生的電火花現(xiàn)象，使放電通道產(chǎn)生高溫高壓。通道中心的壓力最高，工作液和金屬氣化后不斷向外膨脹，形成內(nèi)外瞬間壓力差，高壓力處的熔融金屬液體和蒸氣被排擠，拋出放電通道，大部分被拋入到工作液中。仔細(xì)觀察電火花加工，可以看到橘紅色的火花四濺，這就是被拋出的高溫金屬熔滴和

碎屑。

(4)極間介質(zhì)的消電離(如圖2-1(e)所示)。加工液流入放電間隙，將電蝕產(chǎn)物及殘余的熱量帶走，并恢復(fù)絕緣狀態(tài)。若電火花放電過程中產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物來不及排除和擴(kuò)散，產(chǎn)生的熱量將不能及時(shí)傳出，使該處介質(zhì)局部過熱，局部過熱的工作液高溫分解、積炭，使加工無法繼續(xù)進(jìn)行，并燒壞電極。因此，為了保證電火花加工過程的正常進(jìn)行，在兩次放電之間必須有足夠的時(shí)間間隔讓電蝕產(chǎn)物充分排出，恢復(fù)放電通道的絕緣性，使工作液介質(zhì)消電離。上述步驟(1)～(4)在一秒內(nèi)約數(shù)千次甚至數(shù)萬次地往復(fù)式進(jìn)行，即單個(gè)脈沖放電結(jié)束，經(jīng)過一段時(shí)間間隔(即脈沖間隔)使工作液恢復(fù)絕緣后，第二個(gè)脈沖又作用到工具電極和工件上，又會(huì)在當(dāng)時(shí)極間距離相對(duì)最近或絕緣強(qiáng)度最弱處擊穿放電，蝕出另一個(gè)小凹坑。這樣以相當(dāng)高的頻率連續(xù)不斷地放電，工件不斷地被蝕除，故工件加工表面將由無數(shù)個(gè)相互重疊的小凹坑組成(如圖2-2所示)。所以電火花加工是大量的微小放電痕跡逐漸累積而成的去除金屬的加工方式。圖2-2電火花表面局部放大圖2.1.2電火花加工、電火花線切割加工的特點(diǎn)

電火花加工、電火花線切割加工都是利用火花放電產(chǎn)生的熱量來去除金屬的，它們加工的工藝和機(jī)理有較多的相同點(diǎn)，又有各自獨(dú)有的特性。

1．共同特點(diǎn)

(1)二者的加工原理相同，都是通過電火花放電產(chǎn)生的熱來熔解去除金屬的，所以二者加工材料的難易與材料的硬度無關(guān)，加工中不存在顯著的機(jī)械切削力。

(2)二者的加工機(jī)理、生產(chǎn)率、表面粗糙度等工藝規(guī)律基本相似，可以加工硬質(zhì)合金等一切導(dǎo)電材料。

(3)最小角部半徑有限制。電火花加工中最小角部半徑為加工間隙，線切割加工中最小角部半徑為電極絲的半徑加上加工間隙。

2．不同特點(diǎn)

(1)從加工原理來看，電火花加工是將電極形狀復(fù)制到工件上的一種工藝方法(如圖2-3(a)所示)，在實(shí)際中可以加工通孔(穿孔加工)和盲孔(成型加工)(如圖2-3(b)、(c)所示)。線切割加工是利用移動(dòng)的細(xì)金屬導(dǎo)線(銅絲或鉬絲)做電極，對(duì)工件進(jìn)行脈沖火花放電、切割成型的一種工藝方法，如圖2-4所示。圖2-4線切割加工

(2)從產(chǎn)品形狀角度看，電火花加工必須先用數(shù)控加工等方法加工出與產(chǎn)品形狀相似的電極；線切割加工中產(chǎn)品的形狀是通過工作臺(tái)按給定的控制程序移動(dòng)而合成的，只對(duì)工件進(jìn)行輪廓圖形加工，余料仍可利用。

(3)從電極角度看，電火花加工必須制作成型用的電極(一般用銅、石墨等材料制作而成)；線切割加工用移動(dòng)的細(xì)金屬導(dǎo)線(銅絲或鉬絲)做電極。

(4)從電極損耗角度看，電火花加工中電極相對(duì)靜止，易損耗，故通常采用多個(gè)電極加工；線切割加工中由于電極絲連續(xù)移動(dòng)，使新的電極絲不斷地補(bǔ)充和替換在電蝕加工區(qū)受到損耗的電極絲，避免了電極損耗對(duì)加工精度的影響。

(5)從應(yīng)用角度看，電火花加工可以加工通孔、盲孔，特別適宜加工形狀復(fù)雜的塑料模具等零件的型腔以及刻文字、花紋等(如圖2-5(a)所示)；線切割加工只能加工通孔，能方便地加工出小孔、形狀復(fù)雜的窄縫及各種形狀復(fù)雜的零件(如圖2-5(b)所示)。圖2-5加工產(chǎn)品實(shí)例

2.2電火花加工機(jī)床簡介

2.2.1機(jī)床型號(hào)、規(guī)格、分類

在中國大陸外，電火花加工機(jī)床的型號(hào)沒有采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，由各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)自行確定，如日本沙迪克(Sodick)公司生產(chǎn)的A3R、A10R，瑞士夏米爾(Charmilles)技術(shù)公司的ROBOFORM20/30/35，臺(tái)灣喬懋機(jī)電工業(yè)股份有限公司的JM322/430等。電火花加工機(jī)床按其大小可分為小型(D7125以下)、中型(D7125～D7163)和大型(D7163以上)；按數(shù)控程度分為非數(shù)控、單軸數(shù)控和三軸數(shù)控。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國外已經(jīng)大批生產(chǎn)三坐標(biāo)數(shù)控電火花機(jī)床以及帶有工具電極庫、能按程序自動(dòng)更換電極的電火花加工中心，我國大陸的大部分電加工機(jī)床廠現(xiàn)在也正開始研制生產(chǎn)三坐標(biāo)數(shù)控電火花加工機(jī)床。2.2.2電火花加工機(jī)床結(jié)構(gòu)

電火花加工機(jī)床主要由機(jī)床本體、脈沖電源、自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)、工作液過濾和循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等部分組成，如圖2-6所示。圖2-6電火花機(jī)床

1.機(jī)床本體

機(jī)床本體主要由床身、立柱、主軸頭及附件、工作臺(tái)等部分組成，是用以實(shí)現(xiàn)工件和工具電極的裝夾固定和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)。床身、立柱、坐標(biāo)工作臺(tái)是電火花機(jī)床的骨架，起著支承、定位和便于操作的作用。因?yàn)殡娀鸹庸ず暧^作用力極小，所以對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的強(qiáng)度無嚴(yán)格要求，但為了避免變形和保證精度，要求具有必要的剛度。主軸頭下面裝夾的電極是自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其質(zhì)量的好壞將影響到進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度及加工過程的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響工件的加工精度。電火花加工時(shí)粗加工的電火花放電間隙比中加工的放電間隙要大，而中加工的電火花放電間隙比精加工的放電間隙又要大一些。當(dāng)用一個(gè)電極進(jìn)行粗加工時(shí)，將工件的大部分余量蝕除掉后，其底面和側(cè)壁四周的表面粗糙度很差，為了將其修光，就得轉(zhuǎn)換規(guī)準(zhǔn)逐擋進(jìn)行修整。但由于中、精加工規(guī)準(zhǔn)的放電間隙比粗加工規(guī)準(zhǔn)的放電間隙小，若不采取措施則四周側(cè)壁就無法修光了。平動(dòng)頭就是為解決修光側(cè)壁和提高其尺寸精度而設(shè)計(jì)的。平動(dòng)頭的動(dòng)作原理是：利用偏心機(jī)構(gòu)將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過平動(dòng)軌跡保持機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成電極上每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都能圍繞其原始位置在水平面內(nèi)作平面小圓周運(yùn)動(dòng)，許多小圓的外包絡(luò)線面積就形成加工橫截面積，如圖2-7所示，其中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑就稱為平動(dòng)量，其大小可以由零逐漸調(diào)大，以補(bǔ)償粗、中、精加工的電火花放電間隙δ之差，從而達(dá)到修光型腔的目的。具體平動(dòng)頭的結(jié)構(gòu)及原理可以參考其他書籍。圖2-7平動(dòng)頭擴(kuò)大間隙原理圖目前，機(jī)床上安裝的平動(dòng)頭有機(jī)械式平動(dòng)頭和數(shù)控平動(dòng)頭，其外形如圖2-8所示。機(jī)械式平動(dòng)頭由于有平動(dòng)軌跡半徑的存在，它無法加工有清角要求的型腔；而數(shù)控平動(dòng)頭可以兩軸聯(lián)動(dòng)，能加工出清棱、清角的型孔和型腔。圖2-8平動(dòng)頭外形與一般電火花加工工藝相比較，采用平動(dòng)頭電火花加工有如下特點(diǎn)：

(1)可以通過改變軌跡半徑來調(diào)整電極的作用尺寸，因此尺寸加工不再受放電間隙的限制。

(2)用同一尺寸的工具電極，通過軌跡半徑的改變，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換電規(guī)準(zhǔn)的修整，即采用一個(gè)電極就能由粗至精直接加工出一副型腔。

(3)在加工過程中，工具電極的軸線與工件的軸線相偏移，除了電極處于放電區(qū)域的部分外，工具電極與工件的間隙都大于放電間隙，實(shí)際上減小了同時(shí)放電的面積，這有利于電蝕產(chǎn)物的排除，提高加工穩(wěn)定性。

(4)工具電極移動(dòng)方式的改變，可使加工的表面粗糙度大有改善，特別是底平面處。

2.脈沖電源

在電火花加工過程中，脈沖電源的作用是把工頻正弦交流電流轉(zhuǎn)變成頻率較高的單向脈沖電流，向工件和工具電極間的加工間隙提供所需要的放電能量，以蝕除金屬。脈沖電

源的性能直接關(guān)系到電火花加工的加工速度、表面質(zhì)量、加工精度、工具電極損耗等工藝指標(biāo)。

脈沖電源輸入為380V、50Hz的交流電，其輸出應(yīng)滿足如下要求：

(1)要有一定的脈沖放電能量，否則不能使工件金屬

氣化。

(2)火花放電必須是短時(shí)間的脈沖性放電，這樣才能使放電產(chǎn)生的熱量來不及擴(kuò)散到其他部分，從而有效地蝕除金屬，提高成型性和加工精度。

(3)脈沖波形是單向的，以便充分利用極性效應(yīng)，提高加工速度和降低工具電極損耗。

(4)脈沖波形的主要參數(shù)(峰值電流、脈沖寬度、脈沖間歇等)有較寬的調(diào)節(jié)范圍，以滿足粗、中、精加工的要求。(5)有適當(dāng)?shù)拿}沖間隔時(shí)間，使放電介質(zhì)有足夠時(shí)間消除電離并沖去金屬顆粒，以免引起電弧而燒傷工件。

電源的好壞直接關(guān)系到電火花加工機(jī)床的性能，所以電源往往是電火花機(jī)床制造廠商的核心機(jī)密之一。從理論上講，電源一般有如下幾種。

1)弛張式脈沖電源弛張式脈沖電源是最早使用的電源，它是利用電容器充電儲(chǔ)存電能，然后瞬時(shí)放出，形成火花放電來蝕除金屬的。因?yàn)殡娙萜鲿r(shí)而充電，時(shí)而放電，一弛一張，故又稱“弛張式”脈沖電源(如圖2-9所示)。由于這種電源是靠電極和工件間隙中的工作液的擊穿作用來恢復(fù)絕緣和切斷脈沖電流的，因此間隙大小、電蝕產(chǎn)物的排出情況等都影響脈沖參數(shù)，使脈沖參數(shù)不穩(wěn)定，所以這種電源又稱為非獨(dú)立式電源。圖2-9RC線路脈沖電源

2)閘流管脈沖電源

閘流管是一種特殊的電子管，當(dāng)對(duì)其柵極通入一脈沖信號(hào)時(shí)，便可控制管子的導(dǎo)通或截止，輸出脈沖電流。由于這種電源的電參數(shù)與加工間隙無關(guān)，因此又稱為獨(dú)立式電源。閘流管脈沖電源的生產(chǎn)率較高，加工穩(wěn)定，但脈沖寬度較窄，電極損耗較大。

3)晶體管脈沖電源

晶體管脈沖電源是近年來發(fā)展起來的以晶體元件作為開關(guān)元件的用途廣泛的電火花脈沖電源，其輸出功率大，電規(guī)準(zhǔn)調(diào)節(jié)范圍廣，電極損耗小，故適應(yīng)于型孔、型腔、磨削等各種不同用途的加工。晶體管脈沖電源已越來越廣泛地應(yīng)用在電火花加工機(jī)床上。目前，普及型(經(jīng)濟(jì)型)的電火花加工機(jī)床都采用高低壓復(fù)合的晶體管脈沖電源，中、高檔電火花加工機(jī)床都采用微機(jī)數(shù)字化控制的脈沖電源，而且內(nèi)部存有電火花加工規(guī)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫，可以通過微機(jī)設(shè)置和調(diào)用各擋粗、中、精加工規(guī)準(zhǔn)參數(shù)。例如，漢川機(jī)床廠、日本沙迪克公司的電火花加工機(jī)床，這些加工規(guī)準(zhǔn)用C代碼(例如C320)表示和調(diào)用，三菱公司則用E代碼表示。

3.自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在電火花成型加工設(shè)備中，自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)占有很重要的位置，它的性能直接影響加工穩(wěn)定性和加工效果。

電火花成型加工的自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要包含伺服進(jìn)給系統(tǒng)和參數(shù)控制系統(tǒng)。伺服進(jìn)給系統(tǒng)主要用于控制放電間隙的大小，而參數(shù)控制系統(tǒng)主要用于控制電火花成型加工中的各種參數(shù)(如放電電流、脈沖寬度、脈沖間隔等)，以便能夠獲得最佳的加工工藝指標(biāo)等，其具體內(nèi)容可參考第三章相關(guān)內(nèi)容。

1)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的作用及要求在電火花成型加工中，電極與工件必須保持一定的放電間隙。由于工件不斷被蝕除，電極也不斷地?fù)p耗，故放電間隙將不斷擴(kuò)大。如果電極不及時(shí)進(jìn)給補(bǔ)償，放電過程會(huì)因間隙過大而停止。反之，間隙過小又會(huì)引起拉弧燒傷或短路，這時(shí)電極必須迅速離開工件，待短路消除后再重新調(diào)節(jié)到適宜的放電間隙。伺服進(jìn)給系統(tǒng)一般有如下要求：

(1)有較廣的速度調(diào)節(jié)跟蹤范圍。在電火花加工過程中，加工規(guī)準(zhǔn)、加工面積等條件的變化都會(huì)影響其進(jìn)給速度變化，伺服進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)有較寬的速度調(diào)節(jié)范圍，以適應(yīng)各種加工的需要。

(2)有足夠的靈敏度和快速性。放電加工的頻率很高，放電間隙的狀態(tài)瞬息萬變，要求伺服進(jìn)給系統(tǒng)根據(jù)間隙狀態(tài)的微弱信號(hào)能相應(yīng)地快速調(diào)節(jié)。為此，整個(gè)系統(tǒng)的不靈敏區(qū)、可動(dòng)部分的慣性要小，響應(yīng)速度要快。

(3)有較高的穩(wěn)定性和抗干擾能力。電蝕速度一般不高，所以伺服進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)有很好的低速性能，能均勻、穩(wěn)定地進(jìn)給，超調(diào)量要小，抗干擾能力要強(qiáng)。

2)電液壓式伺服進(jìn)給系統(tǒng)

在電液自動(dòng)進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，液壓缸、活塞是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于傳動(dòng)鏈短及液體的基本不可壓縮性，因此傳動(dòng)鏈中無間隙、剛度大、不靈敏區(qū)??；又因?yàn)榧庸r(shí)進(jìn)給速度很低，所以正、反向慣性很小，反應(yīng)迅速，特別適合于電火花加工的低速進(jìn)給，故20世紀(jì)80年代前得到了廣泛的應(yīng)用，但它有漏油、油泵噪聲大、占地面積較大等缺點(diǎn)。圖2-10所示為DYT-2型液壓主軸頭的噴嘴—擋板式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理圖。電動(dòng)機(jī)4驅(qū)動(dòng)葉片液壓泵3從油箱中壓出壓力油，由溢流閥2保持壓力表P0的值恒定，經(jīng)過濾油器6后分兩路，一路進(jìn)入下油腔，另一路經(jīng)節(jié)流閥7進(jìn)入上油腔。進(jìn)入上油腔的壓力油從噴嘴8與擋板12的間隙中流回油箱，使上油腔的壓力表P1的值隨此間隙的大小而變化。圖2-10噴嘴—擋板式電液壓自動(dòng)調(diào)節(jié)器工作原理電—機(jī)械轉(zhuǎn)換器9主要由動(dòng)圈(控制線圈)10與靜圈(勵(lì)磁線圈)11等組成。動(dòng)圈處在勵(lì)磁線圈的磁路中，與擋板12連成一體。改變輸入動(dòng)圈的電流，可使擋板隨動(dòng)圈動(dòng)作，從而改變擋板與噴嘴間的間隙。當(dāng)放電間隙短路時(shí)，動(dòng)圈兩端電壓為零，此時(shí)動(dòng)圈不受電磁力的作用，擋板受彈簧力處于最高位置Ⅰ，噴嘴與擋板門開口為最大，使工作液流經(jīng)噴嘴的流量為最大，上油腔的壓力下降到最小值，致使上油腔壓力小于下油腔壓力，故活塞桿帶動(dòng)工具電極上升。當(dāng)放電間隙開路時(shí)，動(dòng)圈電壓最大，擋板被磁力吸引下移到最低位置Ⅲ，噴嘴被封閉，上、下油腔壓強(qiáng)相等，但因下油腔工作面積小于上油腔工作面積，活塞上的向下作用力大于向上作用力，活塞桿下降。當(dāng)放電間隙最佳時(shí)，電動(dòng)力使擋板處于平衡位置Ⅱ，活塞處于靜止?fàn)顟B(tài)。

4.工作液過濾和循環(huán)系統(tǒng)

電火花加工中的蝕除產(chǎn)物，一部分以氣態(tài)形式拋出，其余大部分是以球狀固體微粒分散地懸浮在工作液中，直徑一般為幾微米。隨著電火花加工的進(jìn)行，蝕除產(chǎn)物越來越多，充斥在電極和工件之間，或粘連在電極和工件的表面上。蝕除產(chǎn)物的聚集，會(huì)與電極或工件形成二次放電。這就破壞了電火花加工的穩(wěn)定性，降低了加工速度，影響了加工精度和表面粗糙度。工作液強(qiáng)迫循環(huán)過濾是由工作液循環(huán)過濾器來完成的。電火花加工用的工作液過濾系統(tǒng)包括工作液泵、容器、過濾器及管道等，使工作液強(qiáng)迫循環(huán)。圖2-11所示是工作液循環(huán)系統(tǒng)油路圖，它既能實(shí)現(xiàn)沖油，又能實(shí)現(xiàn)抽油。其工作過程是：儲(chǔ)油箱的工作液首先經(jīng)過粗過濾器l，經(jīng)單向閥2吸入油泵3，這時(shí)高壓油經(jīng)過不同形式的精過濾器7輸向機(jī)床工作液槽，溢流安全閥5使控制系統(tǒng)的壓力不超過400kPa，補(bǔ)油閥11為快速進(jìn)油用。待油注滿油箱時(shí)，可及時(shí)調(diào)節(jié)沖油選擇閥10，由閥8來控制工作液循環(huán)方式及壓力。當(dāng)閥10在沖油位置時(shí)，補(bǔ)油、沖油都不通，這時(shí)油杯中油的壓力由閥8控制；當(dāng)閥10在抽油位置時(shí)，補(bǔ)油和抽油兩路都通，這時(shí)壓力工作液穿過射流抽吸管9，利用流體速度產(chǎn)生負(fù)壓，達(dá)到實(shí)現(xiàn)抽油的目的。圖2-11工作液循環(huán)系統(tǒng)油路圖

5.數(shù)控系統(tǒng)

1)數(shù)控電火花機(jī)床的類型數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定除了直線移動(dòng)的X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸系統(tǒng)外，還有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，即繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的A軸，繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的B軸，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的C軸。若機(jī)床的Z軸可以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)但不是數(shù)控的，如電火花打孔機(jī)，則不能稱為C軸，只能稱為R軸。根據(jù)機(jī)床的數(shù)控坐標(biāo)軸的數(shù)目，目前常見的數(shù)控機(jī)床有三軸數(shù)控電火花機(jī)床、四軸三聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花機(jī)床、四軸聯(lián)動(dòng)或五軸聯(lián)動(dòng)甚至六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床。三軸數(shù)控電火花加工機(jī)床的主軸Z和工作臺(tái)X、Y都是數(shù)控的。從數(shù)控插補(bǔ)功能上講，又將這類機(jī)床細(xì)分為三軸兩聯(lián)動(dòng)機(jī)床和三軸三聯(lián)動(dòng)機(jī)床。三軸兩聯(lián)動(dòng)是指X、Y、Z三軸中，只有兩軸(如X、Y軸)能進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和聯(lián)動(dòng)，電極只能在平面內(nèi)走斜線和圓弧軌跡(電極在Z軸方向只能作伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，但不是插補(bǔ)運(yùn)動(dòng))。三軸三聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的電極可在空間作X、Y、Z方向的插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)(例如可以走空間螺旋線)。四軸三聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床增加了C軸，即主軸可以數(shù)控回轉(zhuǎn)和分度。

2)數(shù)控電火花機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)工作原理

目前，絕大部分電火花數(shù)控機(jī)床采用國際上通用的ISO代碼進(jìn)行編程、程序控制、數(shù)控?fù)u動(dòng)加工等，具體內(nèi)容如下：

ISO代碼編程ISO代碼是國際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)制定的用于數(shù)控編碼和程序控制的一種標(biāo)準(zhǔn)代碼。代碼主要有G指令(即準(zhǔn)備功能指令)和M指令(即輔助功能指令)，具體見表2-1。

G54：

圖2-12工作坐標(biāo)系切換一般的慢走絲線切割機(jī)床和部分快走絲線切割機(jī)床都有幾個(gè)或幾十個(gè)工作坐標(biāo)系，可以用G54、G55、G56等指令進(jìn)行切換(如表2-2所示)。在加工或找正過程中定義工作坐標(biāo)系的主要目的是為了坐標(biāo)的數(shù)值更簡潔。這些定義工作坐標(biāo)系指令可以和G92一起使用，G92代碼只能把當(dāng)前點(diǎn)的坐標(biāo)系中定義為某一個(gè)值，但不能把這點(diǎn)的坐標(biāo)在所有的坐標(biāo)系中都定義成該值。如圖2-12所示，可以通過如下指令切換工作坐標(biāo)系。

G92G54X0Y0；

G00X20.Y30.；

G92G55X0Y0；

這樣通過指令，首先把當(dāng)前的O點(diǎn)定義為工作坐標(biāo)系0的零點(diǎn)，然后分別把X、Y軸快速移動(dòng)20mm、30mm到達(dá)點(diǎn)O'，并把該點(diǎn)定義為工作坐標(biāo)系1的零點(diǎn)。圖2-12工作坐標(biāo)系切換

G80:

含義：接觸感知。

格式：G80軸＋方向

如：G80X－； /電極將沿X軸的負(fù)方向前進(jìn)，直到接觸到工件，然后停在那里

G82：

含義：移動(dòng)到原點(diǎn)和當(dāng)前位置一半處。

格式：G82軸

如：G92X100.; /將當(dāng)前點(diǎn)的X坐標(biāo)定義為100.

G82X; /將電極移到當(dāng)前坐標(biāo)系X=50.的地方

M05：

含義：忽略接觸感知，只在本段程序起作用。具體用法是：當(dāng)電極與工件接觸感知并停在此處后，若要移走電極，請(qǐng)用此代碼。

如：G80X－；/X軸負(fù)方向接觸感知

G90G92X0Y0；/設(shè)置當(dāng)前點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0)

M05G00X10.；/忽略接觸感知且把電極向X軸正

方向移動(dòng)10mm

若去掉上面代碼中的M05，則電極往往不動(dòng)作，G00不執(zhí)行。如圖2-13所示，ABCD為矩形工件，AB、BC邊為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，現(xiàn)欲用電火花加工一圓形圖案，圖案的中心為O點(diǎn)，O到AB邊、BC邊的距離如圖中所標(biāo)。已知圓形電極的直徑為20mm，請(qǐng)寫出電極定位于O點(diǎn)的具體過程。

圖2-13工件找正圖首先將電極移到工件AB的左邊，Y軸坐標(biāo)大致與O點(diǎn)相同，然后執(zhí)行如下指令：

G80X+;

G90G92X0;

M05G00X－10.；

G91G00Y－38.；/38.為一估計(jì)值，主要目的是保證

電極在BC邊下方

G90G00X50.；

G80Y+；

G92Y0；

M05G00Y－2；/電極與工件分開，2mm表示為一

小段距離

G91G00Z10；/將電極底面移到工件上面

G90G00X50.Y28.；

數(shù)控?fù)u動(dòng)加工

如前面所述，普通電火花加工機(jī)床為了修光側(cè)壁和提高其尺寸精度而添加平動(dòng)頭，使工具電極軌跡向外可以逐步擴(kuò)張，即可以平動(dòng)。對(duì)數(shù)控電火花機(jī)床，由于工作臺(tái)是數(shù)控的，可以實(shí)現(xiàn)工件加工軌跡逐步向外擴(kuò)張，即搖動(dòng)，故數(shù)控電火花機(jī)床不需要平動(dòng)頭。具體來說，搖動(dòng)加工的作用是：

(1)可以精確控制加工尺寸精度。

(2)可以加工出復(fù)雜的形狀，如螺紋。

(3)可以提高工件側(cè)面和底面的表面粗糙度。

(4)可以加工出清棱、清角的側(cè)壁和底邊。

(5)變?nèi)婕庸榫植考庸?，有利于排屑和加工穩(wěn)定。

(6)對(duì)電極尺寸精度要求不高。

搖動(dòng)的軌跡除了可以像平動(dòng)頭的小圓形軌跡外，還可以有方形、菱形、叉形和十字形，且搖動(dòng)的半徑可為9.9mm以內(nèi)任一數(shù)值。

搖動(dòng)加工的編程代碼各公司均自己規(guī)定。以漢川機(jī)床廠和日本沙迪克公司為例，搖動(dòng)加工的指令代碼如下(參見表2-3)：數(shù)控?fù)u動(dòng)的伺服方式共有以下三種(如圖2-14所示)：

(1)自由搖動(dòng)。選定某一軸向(例如Z軸)作為伺服進(jìn)給軸，其他兩軸進(jìn)行搖動(dòng)運(yùn)動(dòng)(如圖2-14(a)所示)。例如：

G01LN001STEP30Z-10.

G01表示沿Z軸方向進(jìn)行伺服進(jìn)給。LN001中的00表示在X—Y平面內(nèi)自由搖動(dòng)，1表示工具電極各點(diǎn)繞各原始點(diǎn)作圓形軌跡搖動(dòng)，STEP30表示搖動(dòng)半徑為30μm，Z-10.表示伺服進(jìn)給至Z軸向下10mm為止。其實(shí)際放電點(diǎn)的軌跡見圖2-14(a)，沿各軸方向可能出現(xiàn)不規(guī)則的進(jìn)進(jìn)退退。

(2)步進(jìn)搖動(dòng)。在某選定的軸向作步進(jìn)伺服進(jìn)給，每進(jìn)一步的步距為2μm，其他兩軸作搖動(dòng)運(yùn)動(dòng)(如圖2-14(b)所示)。

例如：

G01LN101STEP20Z-10.

01表示沿Z軸方向進(jìn)行伺服進(jìn)給。LN101中的10表示在X—Y平面內(nèi)步進(jìn)搖動(dòng)，1表示工具電極各點(diǎn)繞各原始點(diǎn)作圓形軌跡搖動(dòng)，STEP20表示搖動(dòng)半徑為20μm，Z-10.表示伺服進(jìn)給至Z軸向下10mm為止。其實(shí)際放電點(diǎn)的軌跡見圖2-14(b)。步進(jìn)搖動(dòng)限制了主軸的進(jìn)給動(dòng)作，使搖動(dòng)動(dòng)作的循環(huán)成為優(yōu)先動(dòng)作。步進(jìn)搖動(dòng)用在深孔排屑比較困難的加工中。它較自由搖動(dòng)的加工速度稍慢，但更穩(wěn)定，沒有頻繁的進(jìn)給、回退現(xiàn)象。

(3)鎖定搖動(dòng)。在選定的軸向停止進(jìn)給運(yùn)動(dòng)并鎖定軸向位置，其他兩軸進(jìn)行搖動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在搖動(dòng)中，搖動(dòng)半徑幅度逐步擴(kuò)大，主要用于精密修擴(kuò)內(nèi)孔或內(nèi)腔(如圖2-14(c)所示)。例如：

G01LN202STEP20Z-5.

G01表示沿Z軸方向進(jìn)行伺服進(jìn)給。LN202中的20表示在X—Y平面內(nèi)鎖定搖動(dòng)，2表示工具電極各點(diǎn)繞各原始點(diǎn)

作方形軌跡搖動(dòng)，Z-5.表示Z軸加工至-5mm處停止進(jìn)給并

鎖定，X、Y軸進(jìn)行搖動(dòng)運(yùn)動(dòng)。其實(shí)際放電點(diǎn)的軌跡見圖

2-14(c)。圖2-14數(shù)控?fù)u動(dòng)的伺服方式

6.電火花機(jī)床常見功能

(1)回原點(diǎn)操作功能。數(shù)控電火花在加工前首先要回到機(jī)械坐標(biāo)的零點(diǎn)，即X、Y、Z軸回到其軸的正極限處。這樣，機(jī)床的控制系統(tǒng)才能復(fù)位，后續(xù)操作機(jī)床運(yùn)動(dòng)不會(huì)出現(xiàn)

紊亂。

(2)置零功能。將當(dāng)前點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)置為零。

(3)接觸感知功能。讓電極與工件接觸，以便定位。

(4)其他常見功能(如圖2-15所示)。圖2-15電火花機(jī)床常見功能

2.3電火花線切割加工機(jī)床簡介

2.3.1機(jī)床分類、型號(hào)

1．分類

1)快速走絲線切割機(jī)床快速走絲線切割機(jī)床的電極絲作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一般走絲速度為8～10m/s，是我國獨(dú)創(chuàng)的電火花線切割加工模式?？焖僮呓z線切割機(jī)床上運(yùn)動(dòng)的電極絲能夠雙向往返運(yùn)行，重復(fù)使用，直至斷絲為止。線電極材料常用直徑為f0.10～f0.30mm的鉬絲。對(duì)小圓角或窄縫切割，也可采用直徑為f0.6mm的鉬絲。

工作液通常采用乳化液?？焖僮呓z線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、生產(chǎn)率高，但由于運(yùn)行速度快，工作時(shí)機(jī)床震動(dòng)較大。鉬絲和導(dǎo)輪的損耗快，加工精度和表面粗糙度就不如慢速走絲線切割機(jī)床，其加工精度一般為0.01～0.02mm，表面粗糙度Ra為1.25～2.5μm。

2)慢速走絲線切割機(jī)床慢速走絲線切割機(jī)床走絲速度低于0.2m/s。常用黃銅絲(有時(shí)也采用紫銅、鎢、鉬和各種合金的涂覆線)作為電極絲，銅絲直徑通常為f0.10～f0.35mm。電極絲僅從一個(gè)單方向通過加工間隙，不重復(fù)使用，避免了因電極絲的損耗而降低加工精度。同時(shí)由于走絲速度慢，機(jī)床及電極絲的震動(dòng)小，因此加工過程平穩(wěn)，加工精度高，可達(dá)0.005mm，表面粗糙度Ra≤0.32μm。

2．型號(hào)

國標(biāo)規(guī)定的數(shù)控電火花線切割機(jī)床的型號(hào)，如DK7725的基本含義為：D為機(jī)床的類別代號(hào)，表示是電加工機(jī)床；K為機(jī)床的特性代號(hào)，表示是數(shù)控機(jī)床；第一個(gè)7為組代號(hào)，表示是電火花加工機(jī)床，第二個(gè)7為系代號(hào)(快走絲線切割機(jī)床為7，慢走絲線切割機(jī)床為6，電火花成型機(jī)床為1)；25為基本參數(shù)代號(hào)，表示工作臺(tái)橫向行程為250mm。2.3.2快走絲線切割機(jī)床簡介

1．機(jī)床本體

機(jī)床本體主要由床身、工作臺(tái)、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)和絲架等組成，具體介紹如下：

1)床身

床身是支承和固定工作臺(tái)、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)等的基體。因此，要求床身應(yīng)有一定的剛度和強(qiáng)度，一般采用箱體式結(jié)構(gòu)。床身里面安裝有機(jī)床電氣系統(tǒng)、脈沖電源、工作液循環(huán)系統(tǒng)等元器件。

2)工作臺(tái)

目前在電火花線切割機(jī)床上采用的坐標(biāo)工作臺(tái)，大多為X、Y方向線性運(yùn)動(dòng)。不論是哪種控制方式，電火花線切割機(jī)床最終都是通過坐標(biāo)工作臺(tái)與絲架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來完成零件加工的，坐標(biāo)工作臺(tái)應(yīng)具有很高的坐標(biāo)精度和運(yùn)動(dòng)精度，而且要求運(yùn)動(dòng)靈敏、輕巧，一般都采用“十”字滑板、滾珠導(dǎo)軌，傳動(dòng)絲杠和螺母之間必須消除間隙，以保證滑板的運(yùn)動(dòng)精度和靈敏度。

3)運(yùn)絲機(jī)構(gòu)

在快走絲線切割加工時(shí)，電極絲需要不斷地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)是由運(yùn)絲機(jī)構(gòu)來完成的。最常見的運(yùn)絲機(jī)構(gòu)是單滾筒式，電極絲繞在儲(chǔ)絲筒上，并由絲筒作周期性的正反旋轉(zhuǎn)使電極絲高速往返運(yùn)動(dòng)。儲(chǔ)絲筒軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的換向及行程長短由無觸點(diǎn)接近開關(guān)及其撞桿控制(如圖2-16中的5、4)，調(diào)整撞桿的位置即可調(diào)節(jié)行程的長短。這種形式的運(yùn)絲機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，因而應(yīng)用廣泛。其缺點(diǎn)是繞絲長度小，電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)頻繁，電極絲張力不可調(diào)。圖2-16快走絲線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)圖

4)絲架

運(yùn)絲機(jī)構(gòu)除上面所敘述的內(nèi)容外，還包括絲架。絲架的主要作用是在電極絲快速移動(dòng)時(shí)，對(duì)電極絲起支撐作用，并使電極絲工作部分與工作臺(tái)平面保持垂直。為獲得良好的工藝效果，上、下絲架之間的距離宜盡可能小。

為了實(shí)現(xiàn)錐度加工，最常見的方法是在上絲架的上導(dǎo)輪上加兩個(gè)小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，使上絲架上的導(dǎo)輪作微量坐標(biāo)移動(dòng)(又稱U、V軸移動(dòng))，其運(yùn)動(dòng)軌跡由計(jì)算機(jī)控制。

2．脈沖電源

電火花線切割加工的脈沖電源與電火花成型加工作用的脈沖電源在原理上相同，不過受加工表面粗糙度和電極絲允許承載電流的限制，線切割加工脈沖電源的脈寬較窄

(2～60μs)，單個(gè)脈沖能量、平均電流(1～5A)一般較小，所以線切割總是采用正極性加工。

3．?dāng)?shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)在電火花線切割加工中起著重要作用，具體體現(xiàn)在兩方面：

(1)軌跡控制作用。它精確地控制電極絲相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，使零件獲得所需的形狀和尺寸。

(2)加工控制。它能根據(jù)放電間隙大小與放電狀態(tài)控制進(jìn)給速度，使之與工件材料的蝕除速度相平衡，保持正常的穩(wěn)定切割加工。

4.工作液循環(huán)系統(tǒng)

工作液循環(huán)與過濾裝置是電火花線切割機(jī)床不可缺少的一部分，其主要包括工作液箱、工作液泵、流量控制閥、進(jìn)液管、回液管和過濾網(wǎng)罩等。工作液的作用是及時(shí)地從加工區(qū)域中排除電蝕產(chǎn)物，并連續(xù)充分供給清潔的工作液，以保證脈沖放電過程穩(wěn)定而順利地進(jìn)行。目前絕大部分快走絲機(jī)床的工作液是專用乳化液。乳化液種類繁多，大家可根據(jù)相關(guān)資料來正確選用。2.3.3慢走絲線切割機(jī)床簡介

1．主體結(jié)構(gòu)

1)機(jī)頭結(jié)構(gòu)

機(jī)床和錐度切割裝置(U，V軸部分)實(shí)現(xiàn)了一體化，并采用了桁架鑄造結(jié)構(gòu)，從而大幅度地強(qiáng)化了剛度。

2)主要部件

精密陶瓷材料大量用于工作臂、工作臺(tái)固定板、工件固定架、導(dǎo)絲裝置等主要部件，實(shí)現(xiàn)了高剛度和不易變形結(jié)構(gòu)。

3)工作液循環(huán)系統(tǒng)

慢走絲線切割機(jī)床大多數(shù)采用去離子水作為工作液，所以有的機(jī)床(如北京阿奇)帶有去離子系統(tǒng)(如圖2-17所示)。在較精密加工時(shí)，慢走絲線切割機(jī)床采用絕緣性能較好的煤油作為工作液。圖2-17去離子系統(tǒng)

2．走絲系統(tǒng)

慢走絲線切割機(jī)床的電極絲在加工中是單方向運(yùn)動(dòng)(即電極絲是一次性使用)的。在走絲過程中，電極絲由儲(chǔ)絲筒出絲，由電極絲輸送輪收絲。慢走絲系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：儲(chǔ)絲筒、導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向器、張緊輪、壓緊輪、圓柱滾輪、斷絲檢測器、電極絲輸送輪、其他輔助件(如毛氈、毛刷)等。圖2-18為日本沙迪克公司某型號(hào)線切割機(jī)床的電極絲的送出部分結(jié)構(gòu)圖，其中某些部件的作用如下：

2—圓柱滾輪

可使線電極從線軸平行地輸出，且使張力維持穩(wěn)定

3—導(dǎo)向孔模塊

可使電極絲在張緊輪上正確地進(jìn)行導(dǎo)向

5—張緊輪

在電極絲上施加必要的張力

6—壓緊輪 防止電極絲張力變動(dòng)的輔助輪

7—毛氈 去除附著在電極絲上的渣滓

8—斷絲檢測器

檢查電極絲送進(jìn)是否正常，若不正常送進(jìn)，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒發(fā)生電極絲斷絲等故障

9—毛刷 防止電極絲斷絲時(shí)從輪子上脫出圖2-18電極絲送絲裝置圖2-19為北京阿奇工業(yè)電子有限公司某型號(hào)慢走絲線切割機(jī)床的送絲圖。圖2-19電極絲送絲圖2.3.4線切割機(jī)床常見的功能

下面簡單介紹線切割機(jī)床較常見的功能。

(1)模擬加工功能。模擬顯示加工時(shí)電極